Введение к работе
Актуальность. Оксид магния и диоксид кремния являются необходимыми веществами для химической, металлургической промышленности и при производстве строительных и полимерных материалов. Магнийсиликатное сырье широко распространено на Урале. К нему относятся многие ультраосновные породы: минералы группы серпентина, дуниты, тальк, оливины и т.д.
Наиболее известные месторождения дунитов, серпентинита и талька -Баженовское (г. Асбест), Иовское, Уктусское, Нижнетагильское (гора Соловьева), Сарановское, Шабровское, Режевское, Ишановское, Джетыгоринское, Киембаевское, Магнитогорское, Кара-Кудукское. и др.
При обогащении хризотил-асбеста Баженовского месторождения образуются миллионы тонн отхода - серпентинита, занимающего огромные площади и представляющего опасность для окружающей среды. В состав серпентинита входят, в основном, гидросиликаты магния, переработка которых позволяет получить оксид магния и диоксид кремния.
Оксид магния применяется в производстве магнезитовых, шпинельных, форстеритовых, доломитовых, тальковых, талькомагнезитовых и хромомагнезиальных огнеупорных материалов, в изготовлении магнезиальных цементов, для осветления нефтепродуктов, в качестве активного наполнителя в резиновой промышленности. Высокоактивный оксид магния и композиции на его основе используют в качестве термостойкого электроизоляционного материала для трансформаторной стали и электроизоляторов.
"Белая сажа" (mSi02nH20) - осажденный гидратированный кремнезем, содержит 85-95 % Si02, представляет собой тонкодисперсный порошок с удельной поверхностью Syfl = 60 - 300 м /г. Она является активным минеральным наполнителем, применяется в шинной и резинотехнической, химической, лакокрасочной, легкой промышленностях.
Цель работы заключается в разработке способов получения высокочистых ценных продуктов (оксида магния и диоксида кремния) при комплексной переработке магнийсиликатных материалов: природного минерального сырья и отходов промышленности.
Для решения поставленной задачи необходимо было исследовать: химический и минеральный состав серпентинита Баженовского месторождения; определить условия проведения кислотной обработки сырья и отделения примесей из полученного раствора соли магния; изучить термическое разложение нитрата магния до его оксида; разработать способ очистки диоксида кремния, полученного из кремнеземистого остатка.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследования: эмиссионный спектральный анализ с индуктивно-связанной плазмой ("Optima 4300 DV" фирмы "PerkinElmer", США), микрорентгеноспектральный анализ (прибор JEOL, Япония) с приставкой энергодисперсионного анализа AN-85S фирмы "Link" (Великобритания), рентгенофазовый (автоматические рентгеновские дифрактометры8ТАБ1-Р фирмы STOE, Германия, и "Rigaku D'MAX-2200VL/PC" фирмы "Rigaku", Япония), ИК-(ИК-Фурье спектрометр BrukerAlpha, Германия) и КР-спектроскопический (рамановский микроскоп-спектрометр Ш000 фирмы Renishaw, Англия), дериватографический, титриметрический метод анализа, определение величины удельной поверхности по методу БЭТ (прибор "СОРБИ №4.1" фирмы "Meta", Россия). Обработка данных и расчеты проведены с применением компьютерной программы Excel (см. Приложение ).
Научная новизна:
предложен способ увеличения активности щелочного реактива (оксида магния) за счет приготовления его суспензии в 2 М растворе нитрата магния, что позволяет наиболее эффективно осадить гидроксиды тяжелых металлов и алюминия при рН>8 из азотнокислых растворов вскрытия магнийсодержащего сырья;
разработан способ получения высокочистого гексагидрата нитрата магния (содержание основного вещества не менее 99,4 % масс.) в процессе выпаривании раствора нитрата магния до концентрации 48 % и последующей его кристаллизации при охлаждении;
выделена железосодержащая фракция (метод магнитной сепарации) после стадии выщелачивания исходного силикатного сырья азотной кислотой и получен кремнезем (содержание Si02 до 90 %) с высокой удельной поверхностью (Syfl=138-148 м2/г);
- предложен новый метод переработки кремнезема с получением чистого
аморфного диоксида кремния (содержание SiCb не менее 99 %, Sya, = 731,5 м /г).
Практическая значимость. Разработан гидрометаллургический способ комплексной переработки магнийсиликатного сырья с получением высокочистых материалов (оксида магния и диоксида кремния). Эффективность осадителя для очистки азотнокислых растворов от примесей ТМ (Fe3+, Ni2+, Cr3+, Мп2+) и алюминия увеличена за счет применения суспензии оксида магния в водном растворе нитрата магния. Регенерация выщелачивающего реагента (азотной кислоты) осуществлялась после термического гидролиза нитрата магния в парах перегретого водяного пара. Предложен способ получения высокочистого и высокодисперсного диоксида кремния, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к "белой саже" и аэросилу. Разработана технологическая схема и представлено ее аппаратурное оформление, оценены технико-экономические параметры производства оксида магния, диоксида кремния, выполнен маркетинговый поиск по использованию полученных продуктов. По способу переработки серпентинита получен патент РФ.
На защиту выносятся:
- данные по химическому, минералогическому составу серпентинита
Баженовского месторождения;
- основные параметры процесса азотнокислотного выщелачивания
серпентинита;
-результаты определения условий осаждения гидроксидов тяжелых металлов и алюминия суспензией оксида магния;
- данные по термическому разложению нитрата магния в парах перегретого
водяного пара;
-результаты по очистке кремнеземистого остатка и получению высокочистого диоксида кремния;
- технологические схемы переработки серпентинита Баженовского
месторождения и получения высокочистого диоксида кремния с аппаратурным
оформлением.
Степень достоверности и апробация работы. Основные результаты представлены на Шестой всероссийской конференции "Экологические проблемы промышленных регионов". Уралэкология. Техноген (Екатеринбург, 2004); XIII и
XIV отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007, 2008); XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам "Ломоносов - 2008 (Москва, 2008); XVIII и XIX Российской молодежной научной конференции "Проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Екатеринбург, 2008, 2009); Наука и технологии. XXIX и XXX Российская школа (Миасс, 2009, 2010); Международной конференции "Прикладная физико-неорганическая химия" (Севастополь, 2011, 2013); П-я Международной научно-практической конференции "Современные ресурсосберегающие технологии, проблемы и перспективы" (Одесса, 2012); 9-й Международной конференции WasteECo-2012 Сотрудничество для решения проблемы отходов (Харьков, 2012).
Личный вклад соискателя. Непосредственное участие соискателя заключается в подготовке литературного обзора, планировании и проведении экспериментов, анализе и обработке полученных результатов, разработке технологических схем, расчете экономической эффективности предлагаемой технологии получения оксида магния и высокочистого диоксида кремния из серпентинитов.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликовали в 34 печатных работах: 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертации, 3 депонированные статьи, патент РФ № 2292300 (опубл. 27.01.2007).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 70 наименований. Работа изложена на 135 страницах текста, включает 26 рисунков и 19 таблиц.